2020年2月11日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院袭荣文实验室在《Cell Reports》杂志发表题为“A Switch in Tissue Stem Cell Identity Causes Neuroendocrine Tumorsin Drosophila Gut”的文章，发现一个转录因子的缺失导致果蝇肠道干细胞转换成了神经干细胞样细胞，进而导致神经内分泌肿瘤的发生。该发现提示神经干细胞自我更新程序的异位激活可能是神经内分泌肿瘤的一个潜在致病机制。
神经内分泌肿瘤可发生于机体内的多种组织和器官中，比如消化系统和肺。神经内分泌肿瘤相对少见，对疾病机理的研究相对匮乏。NIBS袭荣文实验室长期利用果蝇模型研究肠道干细胞的调节和肠道中的神经内分泌细胞（简称EE）的分化机制，先后发现从肠道干细胞到EE分化过程中的关键调控因子（Wang, et al., Development, 2015）、分化时的命运抉择机制 (Chen et al., Nature Cell Biology, 2018) 、命运执行机制（Yin and Xi, Stem Cell Reports, 2018）及EE细胞多样化机制（Guo et al., Cell Reports, 2019）。在2015年发表的工作中，研究人员发现在肠道干细胞中失活一个转录抑制因子Ttk可导致肠道干细胞持续无控制地产生EE细胞，最终形成神经内分泌肿瘤（NET）。进一步研究发现Ttk失活后，AS-C基因簇中的Sc和As促分化因子的表达失去抑制，它们的持续表达诱导了肠道干细胞持续产生EE细胞，从而解释了NET形成机制。但是NET中也有干细胞/未分化细胞的积累，而在正常肠道干细胞中持续表达Sc或As虽然可以诱导产生大量EE细胞，但干细胞/未分化细胞并没有积累。相反，由于分化因子的持续表达，干细胞/未分化细胞随着时间的推移出现丢失倾向。
图1. Ttk depletion causes ISCs to becomeNB-like.
在本项研究中，为了理解Ttk失活后的肠道干细胞/未分化细胞所展示的能够拮抗分化的现象，研究人员首先通过细胞流式分选出正常的和Ttk失活的干细胞，并通过RNA-seq进行了基因表达谱的比较分析后发现，在Ttk失活后的肠道干细胞中，肠道干细胞本身特有的转录因子均普遍显著降低，而神经干细胞特有的多个转录因子显著上调。在蛋白水平的变化通过抗体染色也得到了验证。进一步的遗传功能实验证明，异位表达的神经干细胞因子Dpn和神经因子Seq是NET发生不可或缺的，它们通过促进细胞的自我更新，让肿瘤细胞不断繁殖。另外，Seq通过诱导AS-C基因的表达，对介导神经内分泌的分化表型也起重要作用。需要强调的是，Dpn和Seq在正常的肠道干细胞中完全不表达，它们的突变对正常的肠道干细胞的自我更新和分化没有任何影响。因此，Ttk失活的肠道干细胞已经转化成了神经干细胞样细胞，它们依赖神经干细胞特有的自我更新因子驱动干细胞的自我更新，进而导致NET的形成。因为AS-C基因在正常的神经干细胞中高表达，这也解释了Ttk失活的肠道干细胞能够拮抗Sc/As诱导分化的现象。
图2. Dpn is essential for NET developmentfrom ttk-depleted ISCs.
肠道干细胞在失活Ttk后转化为神经干细胞样细胞的另外一个证据是Notch的功能也发生了转换。在肠道干细胞中，Notch发挥促分化功能，其信号通路的激活足以诱导肠道干细胞向肠细胞分化；而在神经干细胞中，Notch发挥促干细胞自我更新的功能。在Ttk失活的肠道干细胞中激活Notch并不能诱导细胞分化，反而促进了干细胞的自我更新。因此，Ttk的失活让Notch 的功能由诱导细胞的分化转换为诱导细胞的自我更新。进一步的研究发现Seq的表达足以导致Notch功能的转换。通过对Notch下游的转录因子Su(H)的染色质定位研究（DamID），发现Seq发挥了“Selector”功能，它把Su(H)招募到包括dpn等神经干细胞特异表达的基因启动子上，选择这些基因成为Notch通路的靶基因，从而实现了Notch功能的转换。
图3. Seq recruitsSu(H) to the enhancer regions of dpn.
本项研究结果提示组织特异的成体干细胞自身存在一种活跃的身份维持机制，而基因突变导致的干细胞身份的改变、神经干细胞自我更新程序的异位激活可能是神经内分泌肿瘤的一个潜在致病机制。在肠道干细胞中存在这种身份维持机制可能是因为肠道干细胞的“两面性”特征：它不但能产生肠道特异的肠细胞，也能产生神经细胞样的肠内分泌细胞。 这种由Ttk介导的身份维持机制可以保证肠道干细胞向神经细胞的分化潜能同时防止神经相关程序的过度激活。Ttk 是一类同时含有BTB及ZincFinger结构域的蛋白, 虽然在哺乳动物中未发现类似Ttk的蛋白，同时含有BTB及Zinc Finger结构域的蛋白在哺乳动物中是存在的。因此这类“组织身份维持(TIM)因子”可能在哺乳动物和人中也是存在的。
图4. Graphic abstract
袭荣文实验室的李朝惠博士、郭兴庭博士和NIBS核酸测序中心的黄焕伟为本文的共同第一作者，本文的其他作者还包括王晨辉博士、杨斧博士、张永超、韩璐、金真及核酸测序中心的王家文和蔡涛博士，袭荣文博士为本文通讯作者。该研究由国家重点研发计划、973项目及北京市政府资助，在北京生命科学研究所完成。
论文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30056-5
